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Elektronenmikroskopie

Ungewöhnliche Atombindungen auf Bild gebannt

| Autor/ Redakteur: Alexandra Frey* / Christian Lüttmann

Aus dem Chemielehrbuch ist vielen bekannt, dass Sauerstoff einen oder zwei Partner in einer Verbindung hat. Doch Ausnahmen bestätigen die Regel. Mit hochauflösender Elektronenmikroskopie haben Forscher der Universitäten Wien und Tübingen nun unerwartete, neue Konfigurationen von Sauerstoff- sowie Stickstoffatomen aufgenommen.

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Bilder von Sauerstoff- (oben) und Stickstoffatomen (unten) in einem Kohlenstoffnetzwerk, aufgenommen im Mikroskopielabor der Universität Wien (Ausschnitt).
Bilder von Sauerstoff- (oben) und Stickstoffatomen (unten) in einem Kohlenstoffnetzwerk, aufgenommen im Mikroskopielabor der Universität Wien (Ausschnitt).
(Bild: Christoph Hofer und Jannik Meyer / CC BY 4.0 / CC BY 4.0)

Wien/Österreich, Tübingen – Das Leben, wie wir es kennen, basiert auf nur einer Handvoll verschiedener Arten von Atomen, darunter Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Was die Komplexität der Welt ermöglicht, ist die Fähigkeit der Atome, sich über chemische Bindungen zu größeren Strukturen zu verbinden. Die Kenntnis der möglichen Bindungsstrukturen ermöglicht es Wissenschaftlern, sowohl Bausteine des Lebens zu verstehen als auch völlig neue Strukturen zu entwickeln.

Jedes chemische Element kann abhängig von der Anzahl der verfügbaren Elektronen eine charakteristische Anzahl von Bindungen eingehen. Dementsprechend steht in Chemielehrbüchern geschrieben, dass Kohlenstoff bis zu vier Bindungen, Stickstoff bis zu drei und Sauerstoff nur eine oder zwei Bindungen haben kann. Die ist in den allermeisten Fällen auch korrekt.

Nun hat ein Forscherteam der Universitäten Wien und Tübingen die Bindung einer großen Anzahl von Stickstoff- und Sauerstoffatomen mit modernster Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie genauer untersucht. Dazu betteten die Forscher die Atome in Graphen ein – eine Kohlenstoffverbindung, die nur eine Atomlage dick ist.

Bindungen abseits der Lehrbuch-Chemie

Die Physiker stellten fest, dass Stickstoff- und Sauerstoffatome in einer Vielzahl von Konfigurationen an ihre Nachbarn binden. Die Studie bestätigte größtenteils das aus dem Lehrbuch bekannte Bild, das nun mit direkten Aufnahmen der Atome sichtbar gemacht werden konnte: Stickstoffatome waren an zwei oder drei Kohlenstoffatome gebunden, während die meisten Sauerstoffatome zwei Kohlenstoffnachbarn hatten.

Bilder von Sauerstoff- (oben) und Stickstoffatomen (unten) in einem Kohlenstoffnetzwerk, aufgenommen im Mikroskopielabor der Universität Wien. Unter den erwarteten Konfigurationen findet sich Sauerstoff auch mit drei Nachbarn sowie in einer „Paar“-Konfiguration mit einem anderen Sauerstoffatom.
Bilder von Sauerstoff- (oben) und Stickstoffatomen (unten) in einem Kohlenstoffnetzwerk, aufgenommen im Mikroskopielabor der Universität Wien. Unter den erwarteten Konfigurationen findet sich Sauerstoff auch mit drei Nachbarn sowie in einer „Paar“-Konfiguration mit einem anderen Sauerstoffatom.
(Bild: Christoph Hofer und Jannik Meyer / CC BY 4.0 / CC BY 4.0)

„Was uns jedoch wirklich überraschte, war das zusätzliche Vorhandensein von Strukturen mit Sauerstoff, die an drei Kohlenstoffnachbarn gebunden sind“, sagt Christoph Hofer, der Hauptautor der Studie. „Die Ausnahme von Sauerstoff mit drei Bindungen war bisher nur in einem ungewöhnlich stark geladenen Zustand bekannt, dem so genannten Oxonium, das schwer zu stabilisieren ist“, ergänzt er. Dies steht im Gegensatz zu der aktuellen Studie, in der die dreibindigen Sauerstoff-Strukturen bemerkenswert stabil waren – jedenfalls stabil genug, sodass sie im Mikroskop abgebildet werden konnten.

Sauerstoffpaare im Graphen-Bett

Die Studie ergab auch eine „gepaarter Sauerstoff“-Konfiguration, bei der zwei Sauerstoffatome benachbarte Stellen im Graphengitter besetzen, jedoch keine Bindung dabei eingehen. Diese neuen Bindungskonfigurationen liefern nicht nur neue Einblicke in die Bausteine des Lebens, sondern könnten auch zur Entwicklung neuer Materialien führen.

Insgesamt bietet die Studie einen Überblick über die verschiedenen Bindungskonfigurationen von Stickstoff und Sauerstoff, der direkt durch Aufnahmen der einzelnen Atome veranschaulicht wird. Während das Lehrbuchkonzept der Bindung von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff zum größten Teil bestätigt wurde, können diese geläufigen Elemente nach Jahrzehnten von Untersuchungen offensichtlich immer noch Überraschungen bereiten.

Originalpublikation: Christoph Hofer, Viera Skákalová, Tobias Görlich, Mukesh Tripathi, Andreas Mittelberger, Clemens Mangler, Mohammad Reza Ahmadpour Monazam, Toma Susi, Jani Kotakoski & Jannik C. Meyer: Direct imaging of light-element impurities in graphene reveals triple-coordinated oxygen, Nature Communications volume 10, Article number: 4570 (2019); DOI 10.1038/s41467-019-12537-3

* A. Frey, Universität Wien,1010 Wien/Österreich

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